带电旋转黑洞作为粒子加速器

最近有研究指出，具有最大自旋的旋转Kerr黑洞可作为具有任意高质心能量的粒子对撞机。本文将这一结果推广到带电旋转黑洞，即Kerr-Newman黑洞。两个不带电粒子从无穷远处静止自由下落发生碰撞的质心能量，不仅取决于黑洞的自旋$a$，还取决于其电荷$Q$。我们发现，在以下条件下可以趋近于无限的质心能量：(1) 碰撞发生在极端黑洞的视界上；(2) 其中一个碰撞粒子具有临界角动量；(3) 极端黑洞的自旋$a$满足$\frac{1}{\sqrt{3}}\leq \frac{a}{M}\leq 1$，其中$M$是Kerr-Newman黑洞的质量。第三个条件意味着，要获得任意高的能量，极端Kerr-Newman黑洞必须具有较大的自旋值，这是Kerr黑洞与Kerr-Newman黑洞之间的一个重要区别。此外，我们还证明，对于近极端黑洞，质心能量始终存在一个有限的上界，该上界随电荷$Q$的增加而减小。